第二節 認知負荷理論
二、 降低外在認知負荷的教材設計方式
認知負荷理論除了說明認知負荷的來源，並提供了一系列具有實 驗支持的教材設計原則，這些原則有一個共同的目的－降低外在認知 負荷。
1. 自由目標效果（The Goal-Free Effect）
自由目標效果的目的在於降低「方法－目的分析（means-ends analysis）」所造成的認知負荷。首先，我們介紹 means-ends analysis 的 相關概念。
means-ends analysis 是一種「解答問題」的機制。對於熟悉的問題，
人會透過概念性理解（形成基模）、自動化基本技能（基模自動化）、
(Gagne et al., 1998)。方法－目的分析（means-ends analysis）即屬於領 域廣泛之問題解決方法，此方法是透過預期目標反推回解決問題的方 法。means-ends analysis 的步驟如下：(Gagne et al., 1998; Sweller, 1989)
（1）找出目標（the goal）;
雖然目標導向的 means-ends analysis 是一種有效的問題解決策 略，但這個策略對學習來說卻不同樣有效。Sweller 與 Levine 在 1982 年的實驗中發現，採用不預設目標的學習方式能更快的學習整個問題 的結構（more rapid learning of the structure of the problem），並且能減 少錯誤(Sweller & Levine, 1982)。可能的原因是，進行 means-ends analysis 可能會讓學習者投注大量的認知資源到不適當的解題觀點 中，而這種高認知負荷的狀態會妨害基模習得（schema acquisition）以 及法則自動化（rule automation）(Sweller, 1989)。在進一步的研究中 Sweller 等人發現透過「自由目標問題（goal-free problems）」以及「示 例效果（worked example effect）」能夠減少 means-ends analysis 被使用 的機會，進而降低認知負荷(Sweller, 1989)。
在此，我們列舉一個國中數學教材上 Goal-Free Effect 的案例：
Mean-End Analysis：
分析目標：將3x2+ax b+ = 化成0
Goal-Free Effect：
在此，我們的目的並不是要說明 Mean-End Analysis 與 Goal-Free 哪一種方法較好，而是要突顯出若目標過於被強調，且方法也明顯的 被提示，會限制學習者的思考方式。如果學習者耗用太多的認知資源 在方向錯誤的 Mean-End Analysis 上，則不利於對學習內容的掌握與概 念的建立。
2. 示例效果（Worked Example Effect）
在前一小節，我們以配方法的實例說明了 Goal-Free Effect。有趣 的是，「配方法」也是降低認知負荷的教材設計方式－「示例效果」的 一個明顯例子，因為配方法是步驟化很明確的程序性知識，可以歸類 為 Cook 與 Mayer 五種知識結構中的「因果程序」（Process）結構(Cook
& Mayer, 1988)。Worked Example 已經在多個實例的研究被認為是有效 的(Carroll, 1994; Sweller & Cooper, 1985; Ward & Sweller, 1990)，進一 步的，Cooper 與 Sweller 認為 Worked Example 對於基模習得（schema acquisition）以及法則自動化（rule automation）都有幫助(Cooper &
Sweller, 1987)。
以下，我們將「配方法」的教材分別以 Mean-End Analysis 與 Worked Example 兩種不同的方式加以呈現，並探討 Worked Example 的效果。
其中，配方法的 Mean-End Analysis 方式以國立編譯館於民國 88 年出 版的國民中學數學教科書第三冊的內容為依據(李恭晴 et al., 1999)；
而 Worked Example 則是本文作者與數學科教師同仁探討的教學實例。
原始問題：
解一元二次方程式 2x2+3x− = 1 0
Mean-End Analysis：
利用等量除法公理，先將方程式2x2+3x− = 的平方項係數變成1： 1 0
我們把上例歸類為Mean-End Analysis，是因為其詳述每一步驟的方法與 依據的原理，最後達成以平方根的方法達到解出未知數x的目標。
Worked Example Effect：
2 worked example 的方式清楚呈現。依照 Sweller 的看法，解題過程的示
例可以讓學習者很快瞭解到整個問題的結構，並且避免因耗用大量的 認知資源造成基模習得與法則自動化受到干擾(Sweller, 1989; Sweller et al., 1998; Ward & Sweller, 1990)。
3. 完成問題效果（Completion Problem Effect）
示例效果雖然能降低認知負荷，卻有兩個缺點。首先，「完整的示 例」經長無法引起學習者的仔細學習的欲望；第二，過度使用示例效 果會抑制學習者對問題產生新的、有創造性的想法(Sweller et al., 1998)。此外，相關研究也發現，學習者經常對 worked example 僅僅是 短暫的用眼睛瞄一下，並且能力較高者傾向詳細完成 worked example，
能力較低者則是在遇到類似問題時才仔細的學習 worked example。另 一方面，因為學習示例的時候須要將「原始問題」以及「解決示例」
的訊息同時放入工作記憶，可會造成認知負荷過重。
完成問題效果指的就是在 worked example 只給出部分的解題程 序，而不是完整的解答，然後請學習者完成整個解題過程。進一步的，
若一份教材的示例一開始提供完整的解法，然後逐漸減少（學習者要 完成的部份逐漸增加），最終達到僅提供問題學習者就能完整解答的境 界，這樣的教材設計策略稱為「完成策略（completion strategy）」(Sweller et al., 1998)，相關實驗支持採用完成策略的教材設計確實有助於學習。
4. 分散注意力效果（Split-Attention Effect）
在認知負荷理論與多媒體學習理論都提到了「分散注意力效果」
會影響學習效果(R. E. Mayer, 2001, 2005; Sweller et al., 1998)。Ayres 與 Sweller 認為，教材會造成分散注意力的現象往往是因為學習者需要 將注意力分別投注在時間因素上或空間因素上被分割的資訊，而在整 合多重來源的訊息時會耗用大量的認知資源(R. E. Mayer, 2005)。為了 分別時間因素與空間因素的影響，多媒體學習理論將分散注意力效果 分為「Spatial Contiguity Principle」以及「Temporal Contiguity Principle」
兩個原則來加以探討。本小節將基於認知負荷理論在空間不連續所造 成的分散注意力效果之論述，以國中數學教材內的「三角形外角定理」
進行實例說明。
三角形外角定理是在說明某一外角會等於此外角的兩個內對角之 和。首先，我們來觀察空間不連續的教材設計方式（如圖 2-12）。
圖 2-12 分散注意力效果的設計方式
雖然圖 2-12 下方的數學式是典型的 worked example，但是實際的 學習效果卻不符合示例效果的預期。這是因為教材設計時沒有把相關 的訊息整合在一起，造成學習者需要先將下方的文字敘述放入工作記 憶，然後在上方圖示中搜尋文字敘述所指的幾何物件，這個過程會使 用大量的認知資源。如果採用整合式的設計，就能避免這一類的外部 認知負荷（如圖 2-13）(Sweller et al., 1998)。
圖 2-13 整合式的設計能避免分散注意力效果
除了「認知負荷理論」與「多媒體學習理論」的相關實驗證實了 Split-Attention Effect 會影響學習者對教材內容的了解，若我們從視覺 認知科學的角度來看，視線投注在物件所在位置亦有助於此物件相關 視覺記憶的提取（visual memory retrieval）(Sacks & Hollingworth, 2005)，相關的研究在第四章的「運動特徵」中有進一步的探討（本文 此原則編碼為 MOTION-New object-[original location]）。
在 1995 年，Mousavi 與 Sweller 發現「文字」與「圖像」雙重視 覺訊息所造成的分散注意力效果可以利用「文字」呈現改採聽覺通道 的「口述文字」而改善，這涉及了多媒體學習理論的雙通道假設，並 突顯了一個教材設計上的重要效果：「形式效果（Modality Effect）」
(Mousavi et al., 1995)。
5. 形式效果（Modality Effect）
多媒體學習理論的三個假設認為工作記憶除了容量有限之外，還 分成兩個通道在運作。圖像訊息進入視覺通道時透過視覺空間描繪版
（visuospatial sketchpad）保留在工作記憶，而聲音訊息進入聽覺通道 時是透過語音迴路（phonological loop）保留在工作記憶(Baddeley, 1997)。認知負荷理論同樣也考慮到了工作記憶的兩種運作型態，並提 出「形式效果」。
形式效果指的是教材含有圖像與文字的情形下，文字採用「口述 文字」會比採用「印刷文字」有更好的效果(Mousavi et al., 1995)。這 是因為「圖像」與「印刷文字」都是從視覺通道進入工作記憶，多重 來源的視覺訊息會引發分散注意力效果；而口述文字是由聽覺通道進 入工作記憶，可以和視覺通道的「圖像」同時經由不同的通道進入工 作記憶，避免分散注意力效果(Mousavi et al., 1995; Sweller et al., 1998)。這個重要的結果在 1998 年由 Mayer 與 Moreno 再次證實，並成 為多媒體學習理論雙通道假設的有力證據(R. E. Mayer & Moreno, 1998)。
6. 累贅效果（Redundancy Effect）
分散注意力效果關注的是學習者在整合多重來源的訊息時是否會
耗用大量的認知資源，然而，另一個我們應該要思考的問題是：每一 個訊息是否真的有存在的必要？訊息之間是否真的需要整合？。由於 多重訊息的整合往往需要花費認知資源，對於不需要整合的訊息若在 教材設計時能予以省略，將可得到降低認知負荷的效益。
圖 2-14 Redundancy Effect 會增加認知負荷
延續之前探討的三角形外角定理之實例，若我們將「平角等於 180 度」以及「三角形內角和 180 度」這兩個「印刷文字訊息」也加入圖 形中一起整合，熟悉相關幾何性質的讀者應該會發現「印刷文字訊息」
非但不必要，甚至會造成干擾，增加整合訊息時的認知負荷，此即典 型的 Redundancy Effect 案例。
由上面的討論我們可以發現，當訊息需要整合時教材設計應優先 考慮 Split-Attention Effect，當訊息沒有整合的必要時，教材設計應優 先考慮 Redundancy Effect。一個核心的議題是：如何判斷個別的訊息 是否真的有存在的必要，是否需要整合？
認知負荷理論給了上述問題一個適當的觀點：當個別訊息能獨自 被理解（can be understood in isolation）時，就不需要整合；若無法獨 自被理解（cannot be understood in isolation），就需要整合(Sweller et al., 1998)。進一步的，若有兩組個別訊息都能獨立被了解，並且兩者表達 的內容相同，則其中一組就應該被省略，否則會造成累贅效果。
有趣的是，個別訊息能否獨自被理解和學習者的先備知識有關。
McNamara 等人在 1996 年的研究發現，關於教材內容「額外的說明文 字」對不熟悉該領域的讀者有幫助，但卻不利於熟悉該領域的讀者
(McNamara et al., 1996)，Sweller 與其研究夥伴在 1998 年的實驗也發 現類似的結果(Yeung et al., 1998)。因此，在教材設計時我們應該要先 了解學習者所具有的先備知識，然後再依其先備知識來判定優先考慮 Split-Attention Effect 或是 Redundancy Effect 的影響。
值的注意的，認知負荷理論之 Redundancy Effect 與多媒體學習理 論之 Redundancy Effect 並不完全相同。認知負荷理論之 Redundancy Effect 涉及了多媒體學習理論之 Coherence Principle，而多媒體學習理 論之 Redundancy Effect 則關注於雙通道假設中，在有口述文字的情形 下，不應再添加字幕（一種不應被整合並且可以省略的訊息來源）。
7. 變化效果（Variability Effect）
學習者在進行解題的練習時，變換不同的問題狀態和情境，將有
學習者在進行解題的練習時，變換不同的問題狀態和情境，將有